Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE SEMENTES Vigna unguiculata (L.) WalpAPÓS PROCESSO DE SECAGEM EM LEITO DE JORRO Lorena Gomes Corumbá Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia, ITEC, da Universidade Federal do Pará, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia de Recursos Naturais. Orientadores: Prof. Dr. Lênio José Guerreiro de Faria Profa. Dra. Cristiane Maria Leal Costa Belém– PA Março/2015
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Transcript
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia
AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE SEMENTES Vigna unguiculata (L.)
WalpAPÓS PROCESSO DE SECAGEM EM LEITO DE JORRO
Lorena Gomes Corumbá
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia, ITEC, da Universidade Federal do Pará, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia de Recursos Naturais.
Orientadores: Prof. Dr. Lênio José Guerreiro de Faria
Profa. Dra. Cristiane Maria Leal Costa
Belém– PA
Março/2015
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Instituto de Tecnologia/Programa de Pós-graduação em Engenharia de Recursos
Naturais da Amazônia
AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE SEMENTES Vigna unguiculata (L.) Walp
APÓS PROCESSO DE SECAGEM EM LEITO DE JORRO
Lorena Gomes Corumbá
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DOPROGRAMA DE PÓS-
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE RECURSOSNATURAIS DA AMAZÔNIA
(PRODERNA/ITEC) DA UNIVERSIDADE FEDERALDO PARÁ COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA AOBTENÇÃO DO TITULO DE
DOUTOR EM ENGENHARIA DE RECURSOSNATURAIS.
Aprovada por:
Belém - PA
Março/2015
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DEDICATÓRIA
Ao meu Marido e grande
incentivador Francisco Cacela Filho
e aos meus filhos Lucas e Pedro
razões de minha existência.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, que em sua infinita misericórdia, me permitiu chegar até aqui com tantas
bênçãos concedidas.
À minha vozinha Maria Tereza Rosa de Lima Gomes pelo amor, dedicação e orações.
Ao meu esposo Francisco Cacela Filho e ao meu pequeno Lucas, pela compreensão nos
momentos de ausência.
Ao meu Tio Antonino Gomes pelo constante incentivo no alcance dos meus objetivos.
Aos meus pais Francisco Félix de Souza e Adenizes Gomes de Souza, pelo amor,
carinho e dedicação a minha família.
Aos meus orientadores, professores Lênio Faria e Cristiane Costa, por todo o
conhecimento transferido, apoio, amizade e confiança a mim dedicados.
À minha querida irmã, amiga de toda vida, pelos conselhos e companheirismo.
Às amigas Elza Santana e Maria Valente pelo apoio nos experimentos iniciais e pelos
bons momentos de descontração.
À Elisangela Andrade, pela amizade e pelas conversas estimulantes.
À Lidiane Nascimento, pela amizade e por todo o auxílio nos experimentos, que foram
essenciais para a conclusão deste trabalho.
À professora Dênmora Gomes de Araujo da Universidade Federal Rural da Amazônia
por disponibilizar as instalações e equipamentos do Laboratório de Análise de Sementes
necessários à execução dos ensaios fisiológicos das sementes e a sua aluna Adriane
Fôro, por todo auxílio na realização dos experimentos.
v
Às amigas Érica de Sousa e Daniele Santana pelas palavras de incentivo.
À minha Tia Luizete Viégas pela companhia em momentos de tensão.
À Minha Sogra Maria Sueli Moda pelo apoio e dedicação aos meus filhos.
À Genilda Amaral, secretária do PRODERNA, por toda boa vontade e excelência nos
serviços prestados.
Ao CNPq, pelo apoio financeiro.
A todos que de alguma forma contribuíram para realização deste trabalho.
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Resumo da Tese apresentada ao PRODERNA/ITEC/UFPA como parte dos requisitos necessários para a obtenção do título de Doutor em Engenharia de Recursos Naturais (D.Eng.)
AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE SEMENTES Vigna unguiculata (L.) Walp
APÓS PROCESSO DE SECAGEM EM LEITO DE JORRO
Orientador: Lênio José Guerreiro de Faria
Co-Orientadora: Cristiane Maria Leal Costa
Área de Concentração: Uso de Recursos Naturais
A variedade de feijão-caupi (Vigna unguiculata L. Walp.),conhecida como feijão manteiguinha, é nativa da região Amazônica, seu cultivo é realizado principalmente por pequenos produtores, onde predomina a agricultura familiar. A qualidade fisiológica das sementes de feijão manteiguinha, no que diz respeito ao poder germinativo e índice de velocidade de emergência, estão diretamente ligados ao teor de umidade nas sementes, por tanto, são necessários estudos que avaliem o comportamento das sementes deste tipo de feijão quanto ao seu potencial higroscópico e às condições de secagem. Com o intuito de contribuir para melhorias na produtividade agrícola de feijões-caupi, o objetivo principal deste trabalho foi avaliar a qualidade de sementes de feijões manteiguinha, após processo de secagem em leito de jorro convencional. Neste sentido, primeiramente foram definidas as características físicas, químicas e fisiológicas das sementes in natura seguindo para obtenção de suas isotermas de sorção de umidade nas temperaturas de 40, 55 e 70 °C. Os parâmetros termodinâmicos de sorção, como calor isostérico, entropia e variação da energia livre de Gibbs, foram avaliados a partir do modelo de GAB e por meio das relações de Clausius-Clapeyron e Gibbs-Helmholtz. A teoria de compensação entalpia-entropia foi adequadamente aplicada às isotermas indicando que o fenômeno de sorção de umidade nas sementes de feijão manteiguinha é controlado pela entalpia. Para dar seguimento ao processo de secagem foram definidas as condições de operação do leito de jorro por meio da análise dos parâmetros fluidodinâmicos (queda de pressão máxima, queda de pressão no jorro estável, queda de pressão no mínimo jorro e a velocidade de mínimo jorro). Na execução dos ensaios de secagem foi aplicada a técnica de planejamento de experimentos Box-Behnken e por meio de análise estatísticas dos dados experimentais foi possível avaliar influência das variáveis de entrada: Temperatura do ar (Tar), velocidade do ar (Uar) e tempo de secagem (t), sobre as respostas, razão de umidade (XR), percentual de germinação (G) e índice de velocidade de emergência (IVE). O ponto ótimo do processo de secagem, estimado pela função desejabilidade global, foi obtido quando o leito de partículas operava na temperatura e velocidade do ar de secagem de 57°C e 0,934 m/s, respectivamente, por um período de 240 minutos. Nestas condições são obtidas sementes com umidade final 0,12 kg de água/kg de sólido seco, germinação de 82,53% e índice de velocidade de emergência de 14,73.
Abstract of Thesis presented to PRODERNA/ITEC/UFPA as a partial fulfillment of therequirements for the degree of Doctor of Natural Resources Engineering (D.Eng.)
EVALUATION OF THE QUALITY OF SEEDS Vigna unguiculata(L.) WalpAFTER
DRYING PROCESSIN SPOUTED BED
Advisors: Lênio José Guerreiro de Faria
Cristiane Maria Leal Costa
Research Area: Use of Natural Resources
The variety of cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.), known as manteiguinha
beans, is native from Amazon region, the cultivation is mainly done by small producers dominated by family farms. The physiological quality of manteiguinha bean seeds, in concern to the germination and emergence rate index are directly connected to the moisture content of the seeds. Therefore, are required studies to evalute the behavior of seeds such as beans their potential hygroscopic and drying conditions. In intention for contribute to improvements in agricultural productivity cowpea, the main objective of this study was to qualitative evaluate of manteiguinha beans seeds behind drying process in conventional spouted bed. In this context, it was first defined the physical, chemical and physiological characteristics of fresh seed according to obtain their moisture sorption isotherms at temperatures of 40, 55 and 70 °C. The thermodynamic parameters of sorption, as isosteric heat, and entropy change in Gibbs free energy were evaluated from the GAB model and through Clausius-Clapeyron and Gibbs-Helmholtz relations. The compensation theory enthalpy-entropy was properly applied to the isotherms indicating that the moisture sorption phenomenon in manteiguinha bean seeds is controlled by enthalpy. To carry on the drying process were defined operating conditions of the spouted bed trhough fluidodynamics parameters analysis (maximum pressure drop, pressure drop in stable spout, pressure drop in the minimum spouting and the minimum spouting velocity). In carry out of the drying tests were applied to experimental design technique Box-Behnken and through statistical analysis of the experimental data was possible to evaluate the influence of input variables: air temperature (Tar), air velocity (Uar) and time drying (t) on the responses, moisture ratio (XR), germination percentage (G) and emergence speed index (ESI). The optimal point of the drying process, estimated by global desirability function obtained when the bed particles operated at temperature and drying air rate of 57 °C and 0.934 m / s, respectively, for a period of 240 minutes. These conditions are obtained seeds with final humidity 0,12 kg water/ kg dry solid, germination of 82.53% and 14.73 and emergence speed index.
Key words: Cowpea, drying, design of experiments, Box-Behnken, desirability function
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SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS..................................................................................................xii
LISTA DE TABELAS ................................................................................................. xv
LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................xvii
genéticas e de produtividade, que ainda é baixa no estado do Pará (695 kg ha-1 de
grãos), sobre o rendimento de cultivares e linhagens de feijão caupi.
Neste sentido, associado aos estudos de melhoramento genético e de
produtividade, faz-se necessário realizar pesquisas brasileiras que visem um melhor
controle de qualidade das sementes desta variedade, tais como estudos de caracterização
física e centesimal, e melhorias nos processos de beneficiamento, como a operação
unitária secagem, de modo a manter as características físicas e fisiológicas das mesmas.
O processo de secagem é um fator essencial na manutenção da qualidade de
sementes que, ao passar por este processo, tem o teor de umidade reduzido, tornando
2
possível inibir a ação de microrganismos e enzimas que provocam decomposição destes
materiais, propiciando assim condições adequadas de armazenamento. A escolha
adequada do equipamento para condução desta operação unitária deve levar em conta a
finalidade, o tipo de produto e as condições operacionais que favoreçam as taxas de
transferência de calor e massa.
Neste sentido, uma alternativa para a secagem de partículas com grandes
dimensões, como as sementes de feijão manteiguinha, é a utilização de leitos de jorro.
Este tipo de equipamento é indicado para secagem de produtos sensíveis ao calor, por
permitir que o processo seja realizado em elevadas temperaturas, diminuindo o tempo
de residência das partículas no leito e promovendo altas taxas de circulação/mistura,
consequentemente favorecendo a transferência de calor e massa, sem causar danos a
materiais termosensíveis.
Outro fator que estabelece qualidade em biomateriais, como o feijão-caupi, é
proporcionar uma armazenagem segura por longos períodos e para avaliar tais
condições torna-se necessário conhecer o comportamento higroscópico desses materiais,
ou seja, predizer a conteúdo de umidade de equilíbrio desses materiais em função da
temperatura e da umidade relativa do ambiente. Assim, o mecanismo de transferência de
massa que rege este processo está associado a deterioração das sementes durante o
período de armazenamento.
Apesar do custo competitivo que o feijão-caupi tem apresentado, aumentando o
interesse dos produtores pelo plantio dessa espécie, a cultura do feijão ainda tem
demonstrado alguns fatores que dificultam a comercialização das sementes/grãos,
merecendo destaque a demanda por um feijão padronizado, de alta qualidade, em
quantidade e com regularidade. Por consequente, a solução dessas demandas
maximizará o interesse de agroindustriais de outras regiões contribuindo para a abertura
de novos mercados para essa variedade de feijão.
Dessa forma, o estudo das condições adequadas de secagem e armazenagem do
feijão-caupi do tipo manteiguinha, contribuirá para estabelecer não só um produto de
qualidade, como também um mercado regular e competitivo que possam contribuir para
o crescimento agroindustrial para esta cultura. Assim, este trabalho apresenta como
objetivo geral avaliar a influência do processo de secagem em leito de jorro sobre a
qualidade fisiológica das sementes. Propondo ainda como objetivos específicos:
- Avaliar o comportamento higroscópico das sementes nas temperaturas de 40, 55 e 70 oC;
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- Avaliar o comportamento fluidodinâmico em leito de jorro e estimar as condições
ótimas de mistura no processo de secagem;
- Comparar os parâmetros característicos de jorro obtidos experimentalmente com seus
respectivos valores estimados por correlações empíricas;
- Realizar a cinética de secagem das sementes em leito de jorro;
- Por meio de experimentos estatisticamente planejados, verificar a influência das
variáveis do processo de secagem: tempo de secagem, temperatura e vazão do ar de
entrada, sobre as respostas: razão de umidade, percentual de germinação e índice de
velocidade de emergência;
- Estimar a condição ótima de secagem com base no planejamento experimental e com
auxílio da técnica de otimização simultânea, denominada função desejabilidade.
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Capítulo 2
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 ASPECTOS GERAIS SOBRE FEIJÃO-CAUPI
O feijão-caupi é uma planta dicotiledônea, pertencente à espécie Vigna
unguiculata (L.) Walp (Figura 2.1), também conhecido como feijão de corda, feijão da
colônia, massacar, manteiguinha dentre outros. Esta espécie possui uma grande
variabilidade genética (FREIRE FILHO, et al., 2011)e é originária do oeste da África,
mais precisamente Nigéria (STELLE E MEHRA, 1980). A introdução no Brasil se deu
durante o tráfico de escravos, pelo estado da Bahia e posteriormente levado para outras
áreas das Regiões Norte e Nordeste (FREIRE FILHO, 1988).
Trata-se de uma leguminosa de ciclo curto que se adapta a diferentes condições
de clima e solo apresentando baixa exigência hídrica e rusticidade para se desenvolver
em solos de pouca fertilidade. Segundo Araújo e Watt (1988) o cultivo pode ser feito
entre temperaturas de 18 a 34°C, e com níveis de precipitação de 300 a 2000 mm/ano,
sofrendo perdas em relação ao desenvolvimento e produtividade à medida que se afasta
desses limites. Devido estas características o cultivo se dá tanto no clima seco do
Nordeste como no clima úmido do Norte, sendo estas regiões as maiores produtoras do
Brasil.
Fonte: Newsrondonia (2013)
Figura 2.1–Feijão-Caupi (Vigna unguiculata (L.) Walp)
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2.1.1 Produção e mercado
A produção nacional de feijão-caupi oscilava entre 400 e 600 mil toneladas entre
2002 e 2011, passando para 822 mil toneladas em 2011. Este aumento ocorreu devido
ao aumento de produção no Nordeste brasileiro e pelo surgimento do cultivo em escala
comercial em alguns municípios do Centro-Oeste, principalmente Mato Grosso sendo
cultivada em uma área de aproximadamente 1,6 milhões de hectares (EMBRAPA
ARROZ E FEIJÃO, 2012).
O Brasil destaca-se como um dos principais países produtores de feijão-caupi.
Contudo, sua participação no mercado mundial de feijão-caupi teve início em 2012
quando o Pais exportou 5644 toneladas de feijão-caupi como grãos (destinado ao
consumo humano) para Índia e Egito e 30 toneladas de sementes (feijões destinados à
semeadura) para a Bolívia (MIDIC, 2013 e WANDER, 2013).
Atualmente todo feijão exportado pelo Brasil é produzido no Mato Grosso. No
início de 2013 o País exportou 49 mil toneladas de caupi apresentando como principais
destinos Portugal (99%) e Angola (1%)
Nas Tabelas 2.1 e 2.2, os principais países importadores e exportadores de
feijão-caupi (FREIRE FILHO et al., 2011; WANDER A. E., 2013).
Tabela 2.1 – Países Importadores de Feijão-caupi
Continente País América Estados Unidos, Canadá África Niger, Mali, Burkina Faso, Chad, República dos Camarões Ásia Miyanmar, Tailândia
Tabela 2.2 - Países Exportadores de Feijão-caupi
Continente País América Estados Unidos, Canadá, Brasil Europa Portugal, Espanha, Grécia, Reino Unido, Bélgica África Argélia, Egito, Nigéria, Gana, Costa do Marfim, Togo e Gabão Ásia Emirados Árabes Unidos, Israel, Índia e Turquia
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2.1.2 Panorama do feijão-caupi no estado do Pará
Acredita-se que o feijão-caupi tenha sido introduzido no Estado do Pará por
imigrantes nordestinos (SANTOS et al., 2009), tornando-se fundamental na economia
rural do estado, que é responsável por 37,69% de toda a produção da Amazônia legal,
destacando-se como principal produtor da região (BARBOSA, SANTOS E SANTANA,
2010).
O cultivo dessa espécie pode ser verificado em 122 dos 143 municípios
paraenses em uma área total de 53.793 há e produção de 36.498toneladas (MODESTO
JUNIOR e ALVES, 2012). A Tabela 2.3 apresenta dados referentes à área colhida,
produção e produtividade dos municípios que se destacam no cultivo de caupi no
nordeste paraense.
Tabela 2.3 - Dados do cultivo do caupi nos municípios do Nordeste Paraense, 2009.
Municípios Área colhida Produção Produtividade
ha % T % kg/ha
Capanema 3.800 13,26 3.040 14,69 800
Traquateua 2.500 8,72 1.000 4,83 400
Bragança 2.400 8,38 959 4,63 400
Augusto Corrêa 2.200 7,68 876 4,23 398
Capitão Poço 2.000 7,68 1.920 9,28 873
S. Miguel do Guamá 1.500 5,23 900 4,35 600
Ipixuna do Pará 1.350 4,71 1.350 6,52 1.000
Peixe Boi 900 3,14 1.030 4,98 1.144
Santarém Novo 900 3,14 870 4,20 967
Garrafão no Norte 800 2,79 660 3,19 825
Nova E. do Piriá 800 2,79 640 3,09 800
Santa Luzia do Pará 750 2,62 665 3,21 887
Salinópolis 700 2,44 620 3,00 886
Santa Maria do Pará 700 2,44 630 3,04 900
Aurora do Pará 650 2,27 627 3,03 965
Bonito 600 2,09 450 2,17 750
Outros 5.904 20,60 4.454 21,53 754
Total 28.654 100,00 20.691 100,00 722
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2.1.3 Cultivar manteiguinha
Na região Meio-Norte, há um grande número de cultivares locais, semeadas
principalmente por pequenos produtores, que produzem suas próprias sementes. O
nome dessas cultivares, geralmente são dados em função de alguma característica que
geralmente é relacionado a cor ou forma dos grãos (ANDRADE JÚNIOR et al., 2002).
Existe ainda na região norte um tipo de feijão-caupi muito apreciado na
culinária local chamado de manteiguinha (Figura 2.2), com grãos de cor creme, muito
pequenos. A produção dessa cultivar não tem uma regra bem estabelecida por se tratar
de uma variedade crioula (não legalizada), ou seja, ainda não faz parte do Registro
Nacional de Cultivares (RNC), órgão que tem por finalidade, habilitar previamente
cultivares e espécies para a produção e comercialização de sementes e mudas no Brasil.
Figura 2.2 - Feijão Manteiguinha
2.2 ASPECTOS DE QUALIDADE DE SEMENTES
As sementes são formadas pelo tegumento e embrião e por um terceiro
componente denominado endosperma. Do ponto de vista funcional, são constituídas por
casca (cobertura protetora), tecido de reserva (endospermático) e tecido meristemático
(eixo embrionário) (COSTA, 2010).
A função primordial das sementes é a garantia de sobrevivência da espécie e seu
uso é o método mais prático, seguro e econômico de se preservar, transportar e propagar
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a cultura de interesse, sendo um instrumento de transferência de tecnologia da pesquisa
ao campo (SMIDERLE et al., 2009). As sementes carregam a potencialidade de
produção das lavouras constituindo um fator de sucesso ou fracasso da produção
agrícola (COSTA e TEIXEIRA, 2000).
2.2.1 Qualidade das sementes
O conceito de qualidade de sementes pode ser compreendido como o conjunto
de atributos genéticos, físicos, fisiológicos e sanitários capazes de originar uma lavoura
uniforme com plantas vigorosas e representativas da cultivar, além de não contaminá-las
com predadores e plantas invasoras ou indesejáveis (POPINIGIS, 1985). Medeiros filho
e Teófilo (2005) esclareceram os conceitos de qualidade de sementes afirmando que:
a) Qualidade genética: consiste em atributos de pureza varietal, homogeneidade,
potencial de produtividade, resistência a moléstias e pragas, precocidade, adaptação ao
solo e ao clima, etc.
b)Qualidade física: compreende a pureza física, teor de umidade, tamanho, cor, forma,
peso, injúrias mecânicas e/ou causadas por insetos, dentre outros;
c) Qualidade fisiológica: é representada pelo poder germinativo, vigor e pela
longevidade;
d) Qualidade sanitária: diz respeito a condição da semente quanto a presença de
patógenos e insetos causadores de danos ou doenças, que podem reduzir potencialmente
a qualidade e produtividade no campo.
Para produção de sementes que englobem todos estes atributos é necessário o
controle efetivo de uma série de fatores como colheita, debulha, secagem e
armazenamento que devem ser realizados de forma criteriosa e de acordo com a
exigência do material para obtenção de sementes de boa qualidade apropriadas a
comercialização e semeadura.
Segundo Popinigis (1985), a qualidade da semente é avaliada através de dois
parâmetros fundamentais: viabilidade e vigor. A viabilidade pode ser analisada pelo
teste de germinação e pelo vigor, determinado durante a germinação e emergência da
plântula. Popinigis (1985) também afirma que para a realização destes testes é
necessária obtenção de uma amostra representativa, obtida obedecendo às técnicas
criteriosamente estabelecidas, de forma que o resultado corresponda à qualidade do
todo.
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Germinação, em testes de laboratório, é definida como a emergência e o
desenvolvimento das estruturas essenciais do embrião, manifestando sua capacidade
para dar origem a uma plântula normal, sob condições ambientais favoráveis
(MARCOS FILHO, CÍCERO E SILVA,1987; BRASIL, 2009).O objetivo do teste é
refletir o potencial máximo de germinação de um lote de sementes, o qual pode ser
usado para comparar a qualidade de diferentes lotes e também estimar o valor para
semeadura em campo (BRASIL, 2009).
Testes de germinação realizados em laboratório é uma superestimação do
resultado no campo e devem ser realizados por métodos padronizados a fim de que
diferentes analistas possam obter resultados comparáveis (MARCOS FILHO, CÍCERO
E SILVA, 1987; LIMA JÚNIOR et al., 2010).
O vigor de sementes pode ser compreendido como o conjunto de propriedades
que determinam o nível potencial de atividades e desempenho de uma semente ou de
um lote de sementes durante a germinação e a emergência da plântula (PERRY,
1981).O objetivo básico do teste de vigor é a identificação de possíveis diferenças
significativas na qualidade fisiológica de lotes que apresentam poder germinativo
semelhante, sendo utilizado para complementar as informações obtidas do teste de
germinação (MARCOS FILHO, CÍCERO E SILVA, 1987).
O vigor pode ser determinado através de vários métodos como, por exemplo,
teste de frio, velocidade de emergência no campo, população inicial, peso de matéria
verde, peso de matéria seca, crescimento das plântulas, teste de tetrazólio, teste de
condutividade elétrica, velocidade de germinação dentre outros (CARVALHO e
NAKAGAWA, 2000). Brasil (2009) cita o teste de tetrazólio como uma possibilidade
para a determinação do vigor, porém ainda não existe um método padronizado
recomendado para uma ou mais espécies.
2.3 SECAGEM DAS SEMENTES
As sementes, por serem higroscópicas, sofrem influência direta da umidade
relativa do ar e da temperatura. Níveis elevados de umidade e temperaturas constituem
um grave atenuante na qualidade por acelerarem o processo de respiração da semente,
dando início ao processo de deterioração, que é irreversível, contínuo e degenerativo,
tendo como consequência a perda da viabilidade das sementes (DELOUCHE 1968). O
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*A secagem natural dura em média de 3 a 6 dias para reduzir a umidade a níveis de 10 a 12 %
teor de umidade elevado é a principal causa para perda do poder germinativo e vigor das
sementes durante o armazenamento (MEDEIROS FILHO e TEÓFILO, 2005).
Os problemas decorrentes do elevado teor de umidade podem ser evitados pela
aplicação do processo de secagem natural ou artificial. A secagem natural(*) consiste na
utilização da energia solar e/ou eólica para secar as sementes e é aplicada geralmente
por pequenos produtores (MEDEIROS FILHO e TEÓFILO, 2005).
No processo de secagem artificial são empregados secadores mecânicos, onde as
sementes são geralmente submetidas a uma corrente de ar, com temperaturas e tempo de
secagem que variam de acordo com o tipo de semente e eficiência do equipamento.
Para um dado processo de secagem as sementes podem ser classificadas de acordo de
acordo com a maior ou menor facilidade que apresentam em perder água. Havendo,
dessa forma, sementes de secagem rápida (nabiça, beterraba açucareira), sementes de
secagem normal (trigo, cevada, aveia, centeio) e sementes de secagem demorada
(tremoço, milho, ervilha e feijões) (KREYGER, 1973). Medeiros filho e Teófilo (2005)
afirmam que operações de secagem processadas de forma rápida, podem ocasionar
trincamento da casca e danos as sementes, pelo encolhimento das partes externas que
não é acompanhado pelas internas, já a secagem muito lenta favorece o
desenvolvimento de microrganismos prejudiciais.
As sementes podem ser classificadas ainda em dois grupos, recalcitrantes e
ortodoxas (Roberts, 1973). Sementes recalcitrantes possuem sua viabilidade reduzida,
quando submetidas ao processo de secagem até baixos níveis de umidade. As ortodoxas
podem ser desidratadas a teores de umidade entre 5e 6 %. Dickie e Smith (1992)
afirmam que as sementes que apresentam comportamento ortodoxo quando secas a
teores de umidade entre 9 e 13%, e comportamento ortodoxo quando secas a 7%, podem
ser denominadas de sub-ortodoxas ou intermediárias.
A importância da secagem de produtos agrícolas aumenta na medida em que
cresce a produção e apresenta as seguintes vantagens:
- Permite a armazenagem por períodos mais longos sem o perigo de deterioração do
produto;
- Permite antecipar a colheita;
- O poder germinativo é mantido por longos períodos;
- Impede o crescimento de microrganismos e insetos;
- Minimiza a perda de produto no campo;
- Redução do volume e do peso a ser transportado.
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2.4 ASPECTOS GERAIS DE SECAGEM
A secagem pode ser compreendida como uma operação unitária pela qual
quantidade de água relativamente pequenas é removida de certo material sólido com o
fim de reduzir o conteúdo de líquido residual até um valor aceitavelmente baixo
(MCCABE, et al., 1998; GEANKOPLIS, (1998); MUJUMDAR, (2006); GENSCOW et
al., 2008).
Trata-se de uma operação que envolve tratamentos térmicos para remoção de
umidade e inclui dois fenômenos fundamentais e simultâneos (MENON e
MUJUMDAR, 1987):
Fenômeno 1- Transferência de calor do ambiente para evaporar a umidade superficial,
sendo esta transferência dependente das condições externas de temperatura, umidade do
ar, velocidade e direção do ar, área de exposição do sólido e pressão;
Fenômeno2- Transferência de massa (umidade), do interior para a superfície do material
e subsequente evaporação devido ao primeiro processo. O movimento interno da
umidade no material é função da natureza física do sólido, temperatura e conteúdo de
umidade.
Na transferência de calor, a energia transferida na forma de calor pode ocorrer
por condução, convecção ou radiação (KEEY, 1978). Na condução, o calor é fornecido
por superfícies ou partículas aquecidas postas em contato com o sólido. Os
equipamentos utilizados para este fim são conhecidos como secadores indiretos, sendo
apropriados para materiais com alto teor de umidade e pequenas espessuras (COOK e
DUMONT, 1991).
A convecção utiliza um fluido (geralmente ar) pré-aquecido para evaporar e
transportar a umidade presente nos sólidos. Neste caso ode calor fornecido pelo fluido,
gera e um gradiente de pressões parciais de vapor entre o ar de secagem e o material,
fazendo que ocorra um fluxo de vapor no sentido da maior para menor pressão parcial,
ou seja, no sentido do material para o fluxo de ar. Com a perda da umidade superficial
por vaporização, a umidade interna do material passa a migrar para superfície devido o
gradiente de concentração. É o método mais utilizado industrialmente e os
equipamentos são tidos como secadores diretos.
O aquecimento por radiação pode ser feito utilizando várias fontes de radiação
eletromagnéticas, com gamas de comprimento de ondas compreendidas em todo o
espectro solar até as micro-ondas. É uma técnica com investimentos e operação de alto
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custo, sendo empregada na secagem de produtos de alto valor ou para correções finais
de umidade (MAGALHÃES, 2004).
A tranferencia de umidade interna dos sólidos, torna o segundo fenômeno
complexo devido a diversidade da composição química e estrutura física dos produtos
(GONELI, 2008). Nesta etapa podem atuar individualmente ou em conjunto os
seguintes mecanismos de tranferencia de massa (GENSCOW et al., 2008;TREYBAL,
1981):
a) Difusão de líquido e/ou vapor: se dá quando existem fortes gradientes de
concentração de líquido ou de pressão parcial de vapor no material. Estes mecanismos
ocorrem com frequência na fase final de secagem.
b) Fluxo de líquido devido a forças capilares. Neste mecanismo a umidade se move
através dos capilares e intertícios do sólido, devido ás forças de tensão superficial que
reduz a pressão dos líquidos nestes espaços. O processo ocorre normalmente quando
existe teores de umidade elevados compreendendo a fase inicial de secagem.
c) Difusão de Knusen. Ocorre quando o percurso médio livre das moléculas de vapor
são da mesma órdem de grandeza do diâmetro dos poros do sólido. Ocorre sob
condições de alto vácuo.
d) Fluxo de umidade devido a elevados gradientes de pressão hidrostática. Neste caso as
taxas de vaporização interna excede o transporte de vapor dos sólidos para o ambiente.
Parket al. (2007) afirmam que a secagem de sólidos é uma das operações mais
antigas e usuais sendo também considerada muito complexa devido à dificuldade e
deficiência na descrição matemática dos fenômenos de transferência de calor e massa
envolvidos nos processos. Por este fato e devido à grande variedade de materiais
sujeitos à secagem e aos diversos tipos de equipamentos usados para este fim, é
impossível um tratamento unificado para descrever esta operação unitária. Neste
sentido, Menon e Mujumdar, (1987) afirmam que a secagem é um conjunto de ciência,
tecnologia e arte, baseado em extensiva observação experimental e experiência
operacional.
2.4.1 Tipos de umidade presentes nos sólidos
Os diferentes mecanismos de transferencia de umidade no sólidos dependem
diretamente do tipo de sólido e das formas com que a água está presente nestes. Para
13
materiais higroscópicos como sementes e grãos a agua está presente em quatro tipos
diferentes (LASSERAN, 1978)
Tipo 1- representa uma camada monomolecular ligada a agrupamentos moleculares da
matéria biológica, fortemente polarizados, como o grupo das hidroxílas.
Tipo 2 – representa uma camada polimolecular de água sobreposta a camada
monomolecular. Este tipo de água liga-se á matéria por meio de forças de Van der
Waals, não é solvente, não possui papel biológico e está fortemente adsorvida.
Tipo 3- é a água liquida sob tensão osmótica que, por possuir caráter solvente, retém
diferentes substâncias dissolvidas nas células tais como: açúcares, ácidos, amido e sais.
Trata-se de uma água fracamente adsorvida, possui papel biológico e pode permitir
reações enzimáticas, bem como o desenvolvimento de fungos.
Tipo 4 – O quarto tipo de água é constituído por água de impregnação, denominada
"água livre", possui caráter solvente, é bastante móvel e evapora-se facilmente por
ocasião da secagem.
A Figura 2.3 representa um esquema dos tipos de água presentes nos grãos e
sementes.
Fonte: Faria (1998)
Figura 2.3 – Tipos de água nos sólidos
As águas do tipo 1 e 2 correspondem a níveis de hidratação relativamente baixos
que não são retirados durante a secagem e são consideradas inertes. O tipo 3 de água (ou
água osmótica) e o 4 (água livre) não apresentam dificuldades para serem evaporadas e
são retiradas em grande parte durante a secagem (FARIA, 1998).
14
2.4.2 Cinética de secagem
A determinação do teor de umidade do sólido é um procedimento analítico
fundamental em qualquer experimento de secagem. Seus valores podem ser estimados
com auxílio das Equações 2.1 e 2.2, que representam os teores de umidade em base seca
e em base úmida, respectivamente. O valor de m (t) representa a massa das sementes
que decresce durante o processo de secagem e mss corresponde à massa de sólido seco.
X =m(t)− m
m (2.1)
X =m(t)− m
m(t)∙ 100 (2.2)
A partir do monitoramento do processo de secagem com relação ao tempo e a
coleta de dados experimentais do teor de umidade dos sólidos, são geralmente grafadas
três formas de curvas de secagem: teor de umidade em função do tempo, representada
pela Figura 2.4; taxa de secagem em função do tempo, representada pela Figura 2.5 e
taxa de secagem em função do teor de umidade, representada pela Figura 2.6. Estas
curvas descrevem o comportamento do sólido submetido à secagem e são geralmente
elaboradas levando em consideração o teor de umidade em base seca.A taxa de secagem
em base seca pode ser calculada pela Equação 2.3.
W = −m
AdX
dt (2.3)
Figura 2.4 - Teor de Umidade em Função do Tempo
15
Figura 2.5 - Taxa de secagem em função do tempo
Figura 2.6 - Taxa de secagem em função do teor de umidade
O estudo dessas curvas mostra que o ciclo da secagem é constituído por várias
etapas (MUJUMDAR, 2006; FELLOWS, 2006; EARLE, 1988) que podem ser
divididas e descritas da seguinte maneira (com base nas Figuras 2.4, 2.5 e 2.6):
a) Período inicial transitório: Corresponde as linhas AB, possui curta duração e
representa um período de acomodação térmica dos produtos em relação à secagem,
onde a temperatura dos sólidos tendem a ajustar-se até atingir o equilibrio.
b)Período de velocidade constante: Corresponde ás linhas BC das figuras. Este período
ocorre na fase inicial de secagem, quando o sólido apresenta um alto teor de umidade e
a difusão de líquido do interior do sólido para a superfície é rápida o suficiente para
manter um filme de líquido sobre o material.
16
Nem todos os sólidos apresentam esta fase é o caso dos grãos que de maneira
geral não apresentam taxa de secagem constante a menos que sejam colhidos com
grande excesso de umidade.
c) Primeiro período de velocidade decrescente: corresponde a linha CD também
conhcido como estado de superfície não saturada. Nesta fase não há líquido suficiente
na superfíco para manter o filme e a evaporação na superfície diminui a medida que a
umidade no interior do sólido diminui. Quando o ponto D é alcançado a superfície do
sólido está praticamente seca.
O ponto no qual se dá a transição entre o periodo de velocidade constante e o
periodo de velocidade decrescente é denominado ponto crítico e o teor de umidade
correspondente a este ponto é tido como teor de umidade crítica (Xcr).
d) Segundo período de velocidade decrescente: Corresponde às linhas DE. Esta fase é
governada por mecanismos internos de transporte de umidade devido a um acentuado
gradiente de concentração entre o interior do sólido e a superfície deste. Neste período a
velocidade de secagem diminuicontinuamente até que o teor de umidade do sólido atinja
o equilíbrio termodinamico, cessando o processo de secagem.
As curvas de secagem para um dado sólido são obtidas para uma gama de
condições de secagem, quando estas curvas possuem uma forma única, ou seja, são
geometricamente semelhantes pode se afirmar que estas são independentes das
condições externas de secagem. Nestes casos as curvas podem ser normalizadas para
que os resultados obtidos sejam aplicados ao material em diversas condições de
secagem, e recebem a denominação de curvas características de secagem.
A normalização consiste em adimensionalizar as taxas de secagem e o conteúdo
de umidade dos sólidos pelas seguintes Equações 2.4 e 2.5:
푓 =푊푊
(2.4)
푋 =푋 − 푋푋 − 푋
(2.5)
Onde:
푓 corresponde a taxa de secagem característica
Wp = taxa de secagem do material no ponto de interesse
Wcr = Taxa inicial de secagem dedo material
XR = teor de umidade caracteristica (razão de umidade)
17
Xp = teor de umidade do material no ponto de interesse
Xe = teor de umidade de equilíbrio
Xcr= teor de umidade crítica
Na ausência de períodos de velocidade de secagem constante a taxa de secagem
caracteristica e o teor de umidade caracteristico são dados pelas Equações 2.6 e 2.7:
푓 =푊푊
(2.6)
푋 =푋 − 푋푋 − 푋
(2.7)
Onde:
Wi = Taxa inicial de secagem de secagem do material
Xp = teor de umidade do material no ponto de interesse
Xi= teor de umidade inicial do sólido
Xe = teor de umidade de equilíbrio
Xi = teor de imidade inicial do material
2.4.3 Modelos matemáticos aplicados a cinética de secagem
A admensionalização do teor de umidade e da taxa de secagem são úteis na
modelagem matemática de processos de secagem. Com a obtenção experimental das
curvas normalizadas e o ajuste de modelos matemáticos que descrevam os processos é
possivel prever evoluções no fluxo de secagem em condições distintas para um dado
material.
Os modelos matemáticos tradicionalmente utilizados para representar a cinética
de secagem, podem ser sumarizados em dois grupos: os modelos puramente
convectivos e os modelos difusivos. A formulação desses modelos, desenvolvida a
partir do comportamento de secagem de uma única partícula, geralmente considera
todos os parâmetros de transporte constantes, possibilitando uma descrição similar da
taxa de secagem (MAYTA,MASSARANI e PINTO, 1996).
A Tabela 2.4 apresenta algumas equações empíricas de secagem utilizadas para
descrever a remoção de umidade de materiais sólidos, descritas em diversos trabalhos
como exemplo, em Radünz et al. (2011), Resende,Ferreira e Almeida (2010), Sun e
modificado, Oswin modificado e Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB).
Modelo Chung-Pfost modificado
Chung e Pfost (1967) desenvolveram um modelo semi-empírico para descrever
isotermas de sorção baseado na premissa que a variação na energia livre para a adsorção
está relacionada com o teor de umidade conforme a Equação 2.34.
ln푎 = −퐴푅푇
푒푥푝 −퐵푋 (2.34)
Onde:
R é a constante universal dos gases
Tab é a temperatura absoluta
A e B são parâmetros do modelo
Pfost et al., (1976) modificaram o modelo anterior para avaliar a influência da
temperatura sobre os parâmetros A e B. Como resultado é apresentada a Equação 2.35
que é denominada Modelo modificado de Chung-Pfost.
푋 = 퐸 − 퐹 ln[−(푇 + 퐶) ln푎 ] (2.35)
Onde:
T é a temperatura em °C
C, E e F são parâmetros ajustáveis
33
Modelo Henderson modificado
A equação empírica desenvolvida por Henderson (1952) é descrita como:
ln(1 − 푎 ) = −푘푇푋 (2.36)
Onde k e n são parametros e T é a temperatura absoluta.
O uso do termo referente a temperatura não avalia o efeito desta sobre os
parâmetros k e n, por este motivo Thompson e Peart et al. (1968) modificou o modelo
de Henderson inserindo constantes relacionadas a temperatura, como pode ser
verificado na Equação 2.37.
푋 =ln(1 − 푎 )−퐾(푇 + 퐶)
(2.37)
Modelo Halsey Modificado
Halsey Desenvolveu um modelo para condensação das camadas a uma distância
relativamente grande da superfície. Neste modelo, dado pela Equação 2.38, assume-se
que a energia potencial das moléculas de adsorção é proporcional às forças de interação
entre estas e as moléculas adsorventes que variam com a distância da superfície. Para
avaliar o efeito da temperatura o modelo de Halsey foi modificado por Iglesias e Chirife
(1976), tendo como resultado a Equação 2.39.
ln푎 = −퐴
푅푇(푋 /푋 ) (2.38)
ln(−ln푎 ) = −푟 ln푋 + ln퐶 (2.39)
34
Modelo de Oswin modificado
Oswin (1946), baseado em uma série matemática para curvas de formato
sigmoide, desenvolveu o seguinte modelo teórico:
푋 = 퐵푎
1 − 푎 ) (2.40)
Sendo B e A parametros do modelo
Assim como nos modelos anteriores, Chen e Morey (1989) propuseram uma
modificação na equação de Oswin para avaliar a influência da temperatura sobre a
absorção de vapor de água por alimentos de acordo com a Equação 2.41.
푋 = (퐵 + 퐶푇)푎
1 − 푎 (2.41)
Onde A, B e C são parâmetros e t é a temperatura em °C
Modelo de GAB
O modelo de GAB (Guggenheim, Anderson, de Boer) é na verdade uma
modificação do modelo de BET (proposto por Brunauer, Emmett, e Teller em 1938),
em que Anderson (1946) supôs que o calor de sorção da segunda a nona camada é
menor que o calor de condensação, sendo cineticamente e estatisticamente calculada,
por de Boer (1953) e Guggenheim (1966) dando origem ao modelo representado pela
Equação 2.42:
푋 =푋 퐶퐾푎
[(1− 퐾푎 )(1− 퐾푎 + 퐶퐾푎 )] (2.42)
Onde C e K são parâmetros relacionados aos efeitos térmicos de sorção na
monocamada e na multicamada respectivamente (MYHARA et al., 1996).
35
2.6.1.2 Propriedades termodinâmicas de sorção
Propriedades termodinâmicas, como o calor isostérico e a entropia diferencial,
são úteis na determinação da quantidade de energia associada à transferência de calor e
massa em sistemas biológicos, além de fornecerem informações a respeito da ordem e
desordem das moléculas de água durante os processos de sorção (BAPTESTINI,
2011).O conhecimento destas propriedades proporciona uma interpretação teórica dos
fenômenos físicos que ocorrem na interface água-sorvente (RIZVI, 2005)
O calor isostérico de sorção pode ser compreendido como a medida da energia
de ligação entre as moléculas de água e os sítios de sorção na superfície de um dado
produto (WANG e BRENNAN, 1991). Esta energia tende a aumentar conforme o teor
de umidade diminui em virtude do estabelecimento de ligações mais fortes com a matriz
sólida (PIMENTA, 1997). Portanto, através do calor de sorção, pode-se estimar a
quantidade mínima de energia requerida para remover certa quantidade de água, além
de permitir algumas deduções sobre a microestrutura e as mudanças físicas que
acontecem na superfície do produto (MORAES, 2010).
Valente (2011), afirma que o calor de sorção, representa a energia necessária
para desidratar um produto até seu valor de monocamada, sendo úteis no projeto de
secadores capazes de fornecer calor acima do calor latente de vaporização da água pura
de modo a secar o material em baixos níveis de teor de umidade. Segundo Macminn e
Magee (2003) o conhecimento de sua magnitude, em um dado conteúdo de umidade, é
usado como indicador do estado em que se encontra a água sorvida em um produto,
servindo como medida da estabilidade química, física e biológica de alimentos em
certas condições de armazenamento.
A entropia diferencial de sorção está relacionada ao número de sítios ativos de
sorção em um determinado nível energético inerente ao material e define o grau de
desordem do sistema (McMINN, AL-MUTHTASEB e MAGEE, 2005e MADAMBA,
DRISCOLL e BUCKLE, 1996). O conhecimento desta propriedade é útil quanto ao
fornecimento adequado de energia nos processos de sorção e tem sido utilizada para
explicar estes processos em materiais biológicos.
Relacionando devidamente a entalpia e a entropia de sorção, pode-se obter outra
propriedade denominada energia livre de Gibbs. Segundo Apostolopoulos e Gilbert
(1990) esta propriedade representa a quantidade máxima de energia liberada em
processos à temperatura e pressão constantes e que está disponível para realizar
36
trabalho, se esta quantidade for negativa o processo é dito espontâneo, se for positiva
será não espontâneo. Nos processos de sorção a energia livre de Gibbs representa a
energia requerida para transferir moléculas de água do estado vapor para a superfície do
sorvente ou vice-versa (COSTA, 2010).
Leffer e Grundwald (1963) propuseram uma relação linear entre a entalpia e a
entropia diferencial de sorção que fundamenta a teoria da compensação entalpia-
entropia também conhecida como teoria isocinética. Esta teoria vem sendo utilizada
para avaliar os processos de sorção e sugere que a compensação ocorre em função das
mudanças na interação molecular entre soluto e solvente. Dessa forma, quanto mais
forte esta interação, associada à entalpia, maior será a ordem no sistema, associado à
entropia (FERRO-FONTÁNet al.,1982).
2.6.2 Publicações sobre o comportamento higroscópico de sementes.
Grãos e sementes, por serem produtos higroscópicos tendem a sofrer constantes
modificações conforme as condições do ambiente onde são armazenadas. Este
comportamento tem sido objeto de estudo de vários pesquisadores, alguns destes
trabalhos estão sumarizados na Tabela 2.9.
37
Tabela 2.9 - Publicações a respeito do comportamento higroscópico de sementes Referência Sementes Objetivos Principais Resultados
Smaniotto (2012) Milho
Obter as isotermas de dessorção dos grãos de milho, ajustar diferentes modelos matemáticos para representar a higroscopicidade e calcular o calor latente de vaporização para este produto.
As isotermas de dessorção obtidas para grãos de milho da cultivar na faixa de temperatura de 10 a 40 °C apresentaram o formato sigmoidal, típico de produtos agrícolas.
O modelo de Oswin apresentou o melhor ajuste para descrever o fenômeno higroscopicidade dos grãos.
O calor latente de dessorção aumentou com o decréscimo do teor de água e diminui com o incremento da temperatura para o mesmo teor de água.
Valente (2011) Lihaça
Obter experimentalmente isotermas de dessorção nas temperaturas de 40, 60 e 80°C, ajustá-las a modelos matemáticos, estimar os calores isostéricos de sorção líquidos e integrais, a entropia diferencial de sorção e predizer a energia necessária para a retirada de água das sementes de linhaça.
As umidades de equilíbrio diminuíram como aumento da temperatura para toda faixa de atividade de água (aw) avaliada;
Os modelos matemáticos que melhor descreveram a dessorção de umidade para as sementes de linhaça foram os de GAB e Peleg para todas as temperaturas estudadas.
Verificou-se que os valores do conteúdo de umidade na monocamada (Xm) estimados pelo modelo GAB diminuíram com o aumento da temperatura e apresentou um valor médio de 2,9 % bs.
O calor isostérico integral de dessorção variou de 104,17 a 47,24 kJ/mol.
A entropia diferencial aumenta em função da umidade de equilíbrio (Xeq).
A teoria da compensação foi aplicada com sucesso e indicou que o processo de dessorção das sementes de linhaça é controlado pela entalpia.
38
Tabela 2.9 - Publicações a respeito do comportamento higroscópico de sementes (continuação)
Costa (2010) Jambu
Obter experimentalmente isotermas de adsorção e dessorção, nas temperaturas de 20, 30 e 40°C ajustando os dados a modelos matemáticos, calcular os calores isostéricos líquidos e integrais, a entropia diferencial de sorção e estimar a energia necessária para a retirada de água das sementes de jambu
Os dados de equilíbrio para a adsorção e dessorção foram adequadamente descritos pelo modelo GAB modificado para todas as temperaturas estudadas.
As isotermas de sorção a 20, 35 e 40°C comportaram-se como sendo do tipo II, conforme a teoria BET.
O teor de umidade de equilíbrio da monocamada molecular para as sementes praticamente independente da temperatura, situando-se em torno de 5 % bs
O calor isostérico integral de dessorção variou de 350,67 a 45,51 kJ/mol para a faixa de conteúdo de umidade de equilíbrio de 4 a 20%bs.
O calor isostérico integral de adsorção variou de 118 a 44,6 kJ/mol, para a faixa de conteúdo de umidade de equilíbrio de 4 a 20%bs.
Goneli (2008) Mamona
Determinar as isotermas de adsorção e dessorção, para diferentes condições de temperatura e umidade relativa do ambiente, ajustar diferentes modelos matemáticos aos dados e determinar as propriedades termodinâmicas de sorção.
O modelo de Halsey-modificado é o que melhor representa o comportamento higroscópico;
O calor isostérico integral de dessorção variou de 3324 a 2486 kJ/kg, e o calor isostérico integral de adsorção, variou de 3139 a 2479 kJ/kg, para a faixa de conteúdo de umidade estudado;
Para um mesmo valor de teor de umidade, os valores do calor isostérico integral de dessorção são maiores que os de adsorção;
Ocorre um aumento dos valores da entropia diferencial de sorção com a redução do teor de umidade;
Para um mesmo teor de umidade a entropia diferencial de dessorção é maior que a de adsorção;
Os processos de dessorção e adsorção da água foram controlados pela entalpia.
39
Tabela 2.9 - Publicações a respeito do comportamento higroscópico de sementes (continuação)
Resende, Corrêa, et
al (2006) Grãos de feijão
Determinar as isotermas de sorção dos grãos de feijão para diversas condições de temperatura e umidade relativa do ar e ajustar diferentes modelos matemáticos aos dados experimentais, selecionando aquele que melhor representa o fenômeno, bem como obter os valores do calor isostérico de dessorção para o produto.
Baseando-se em parâmetros estatísticos, o modelo de Halsey Modificado é o que melhor representa a higroscopicidade do produto estudado, quando comparado aos modelos tradicionalmente utilizados para descrição deste fenômeno
O calor isostérico integral de dessorção, para os grãos de feijão na faixa de umidade de 10,10 a 21,71%bs, varia de 3961 a 2718 kJ/kg.
Fantinstti et al. (2005)
Eucaliptus grandis e Pinus taeda
Estudar as isotermas de sorção para espécies florestais, obtidas a 25ºC, e avaliar cinco modelos matemáticos para descrever o comportamento higroscópico das sementes.
As sementes de P. taeda apresentaram teor deumidade de equilíbrio inferiores aos da E. grandis.O melhor ajuste das isotermas de sorção foi alcançado através do modelo de três parâmetros de Langmuir parasementes de Eucalyptus grandis e do modelo de quatro parâmetros de Peleg para sementes de Pinus taeda.
Oliveira, Cavalcanti-Mata, e
Duarte (2004)
Feijão macassar Verde
Obter as curvas de dessorção para temperaturas de 20, 30, 40 e 50ºC, atividade de água na faixa de 0,10 a 0,85.
Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que as equações propostas por Cavalcanti Mata, Henderson modificado e Oswin modificado foram as que melhor se ajustaram aos dados experimentais de isotermas de equilíbrio higroscópico do feijão macassar verde, para as temperaturas de 20, 30, 40 e 50ºC e atividade de água de 0,10 a 0,85
40
2.7 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS
A técnica de planejamento de experimentos (Design of Experiments – DOE),
também denominado delineamento experimental, representa um conjunto de ensaios
estabelecido com critérios científicos e estatísticos, com o objetivo de determinar a
influência de diversas variáveis nos resultados de um dado sistema.
Esta técnica foi desenvolvida após o início da era Industrial, entre 1920 e
1930,por Sir Ronald A. Fisher, durante um trabalho de pesquisa destinado a aumentar a
produção agrícola para ajudar a alimentar a crescente população urbana, que foi
realizado no Rothamsted Agricultural Experiment Station, Londres (RÜFER e
RESCHETILOWSKI,2012;PRVAN e STREET, 2002). Neste período Fisher introduziu
sistematicamente os princípios estatísticos para projetar investigações experimentais,
incluindo os conceitos de experimentos fatoriais e análise de variância. A técnica
apresentada se mostrou inovadora tornando-se objeto de estudo por pesquisadores de
renome, que vem contribuindo de maneira significativa sobre projeto e análise de
experimentos sendo aplicada em pesquisa e desenvolvimento, controle de qualidade e
otimização de processos (MONTGOMERY, 2001; PRVAN e STREET, 2002;
RAMANA et al., 2012)
Franek e Jiang (2013), afirmam que o DOE foi desenvolvido a fim de reduzir o
número de ensaios experimentais ao mesmo tempo em que se obtém o máximo de
informações a partir de seus resultados. Aranda, Jung e Caten (2008), mencionam ainda
que com a aplicação desta técnica, é possível se obter melhor precisão nos resultados e
que também possibilita aperfeiçoar o processo em estudo, além de permitir examinar
um número considerável de fatores e a interação entre estes.
.
2.7.1 Terminologia empregada em experimentação
Para o melhor entendimento das técnicas de planejamento experimental faz-se
necessário a familiarização com a terminologia empregada e alguns conceitos
fundamentais conforme segue.
Variáveis de resposta ou variáveis dependentes: São as variáveis que sofrem
algum efeito no experimento quando mudanças, provocadas propositalmente, são
produzidas nos fatores que regulam o processo. Nos testes, podem existir uma ou mais
variáveis de resposta que sejam importantes de avaliar.
41
Fator, variável de entrada ou variável independente: São etapas pré-
determinadas do experimento, alteradas deliberadamente, com a finalidade de avaliar o
efeito produzido nas variáveis de resposta e com isso determinar os principais fatores do
processo.
Fatores de Ruído: são os fatores, conhecidos ou não, que influenciam nas
variáveis de resposta do experimento. Os fatores de ruído podem mascarar o resultado
de um experimento influenciando nos efeitos dos fatores avaliados no planejamento.
Níveis: São as condições de operação das variáveis de entrada (fatores) do
processo ou sistema, ou seja, é o grau ou faixa de variação que um fator sofrerá. Ao
realizar os experimentos procura-se determinar os níveis ótimos dos fatores com relação
às variáveis de entrada.
Efeito: É a alteração na resposta quando um fator tem seu valor mudado de um
nível inferior para o superior.
Tratamentos: São as combinações específicas dos níveis dos fatores no
experimento. Isto é, cada uma das corridas do experimento representará um tratamento.
Aleatorização: É o processo de definir a ordem dos tratamentos no experimento.
Podendo ser através de sorteio ou por limitações específicas do experimento.
Replicação ou Repetição: É o processo de repetir cada um dos tratamentos no
experimento. Segundo Montgomery (2001), este conceito permite encontrar uma
estimativa do erro experimental, que se transforma em uma unidade básica e determina
se as diferenças observadas entre os dados são estatisticamente significativas.
Matriz de planejamento: É o plano construído para conduzir os experimentos.
Nesta matriz são incluídos os fatores, os níveis e tratamentos do experimento.
2.7.2 Princípios básicos em planejamento de experimentos
Conforme Montgomery (2001), Os princípios básicos de um experimento
consistem em: replicação, aleatorização (randomização), e blocagem. Estes princípios
estão relacionados ao erro experimental que, segundo Box, Hunter e Hunter(2005), são
as variabilidades nas respostas ocasionadas por influencias desconhecidas. Os autores
afirmam ainda que estes erros são inevitáveis e ocorrem devido as condições de
trabalho, variações provenientes de matéria prima, amostragem e em menor grau podem
ser atribuídos a erros de medição.
42
A réplica de um experimento é o primeiro requisito quando se deseja obter
resultados experimentais válidos (KUEHL, 2001) e proporciona as médias para estimar
a variância do erro experimental, o que possibilita verificar se as diferenças observadas
nos dados são estatisticamente significativas, refletindo o comportamento das
observações (CALADO e MONTGOMERY, 2003).
A aleatorização dos experimentos é realizada para atender aos requisitos dos
métodos estatísticos, os quais exigem que os componentes do erro experimental sejam
variáveis aleatórias independentes (CHEW, 1957).
A blocagem é uma técnica de projeto que se utiliza para minimizar as
variabilidades operacionais, permitindo maior homogeneidade nos experimentos e
objetivando aumentar a precisão na análise dos resultados (MONTGOMERY 2001). Na
aplicação deste método, deve-se ter conhecimento prévio dos fatores que possam afetar
as respostas e dos que não são de interesse ao experimento (BARROS NETO,
SCARMINIO e BRUNS, 2010)
2.7.3 Etapas de condução dos experimentos
Ao se iniciar um experimento, é importante estabelecer o delineamento
adequado e o domínio do mesmo evitando assim, possíveis erros e a invalidação dos
resultados(BARROS NETO, SCARMINIO e BRUNS, 2010; MONTGOMERY, 2001).
O planejamento adequado evita que efeitos reais possam ser mascarados por erros
experimentais e impede que o experimentador possa definir erroneamente a existência
de efeitos inexistentes (BOX, HUNTER e HUNTER, 2005). Neste sentido são
estabelecidos alguns procedimentos para condução de experimentos conforme
orientação de Montgomery (2001).
Identificação e definição do problema: Nesta fase é importante definir os
problemas e os objetivos envoltos no experimento. Neste caso é comum fazer uma lista
destes problemas e de perguntas específicas para que possa ser feita uma enunciação
clara destes alcançando uma solução eficiente.
Escolha das variáveis de entrada (fatores de influência) e de seus respectivos
níveis: Deve-se considerar os fatores que podem influenciar no processo e que possam
ser controlados. Estes fatores são os que o experimentador possivelmente queira variar
durante a execução dos experimentos, portanto, é importante verificar como essas
variáveis serão controladas nos níveis escolhidos e como eles serão medidos.
43
Escolha adequada da variável de resposta: Para seleção da variável de resposta
deve se ter certeza de que esta proporciona informações reais e úteis ao processo
garantindo a objetividade na análise dos resultados.
Delineamento dos experimentos ou Matriz de planejamento: Ao selecionar o
delineamento é importante ter em mente os objetivos do experimento. Nesta etapa se
define a forma com que o experimento será executado levando em consideração o
número de fatores, seus respectivos níveis, tamanho da amostra (número de réplicas) e a
sequência de execução dos ensaios.
Execução dos experimentos: Esta etapa deve ser realizada de forma aleatória,
garantindo que o resultado do experimento seja independente da ordem na qual ele foi
executado para a minimização dos efeitos não controláveis do processo. A aleatorização
dos experimentos é realizada para atender aos requisitos dos métodos estatísticos, os
quais exigem que os componentes do erro experimental sejam variáveis aleatórias
independentes (CHEW, 1957).
Análise dos resultados: Nesta etapa os resultados são analisados com o uso de
métodos estatísticos, a fim de que as conclusões estabelecidas sejam objetivas e
precisas.
Elaboração das conclusões e recomendações: Feitas a partir da análise dos
resultados, as conclusões e recomendações permitirão que decisões sejam tomadas a
respeito do processo em estudo. Deve-se também realizar ensaios comprobatórios para
validar as conclusões do experimento.
2.7.4 Importância estatística no DOE
Segundo Montgomery (2001), quando um problema inclui dados que estão
sujeitos a erros experimentais a metodologia estatística é o único enfoque objetivo de
análise. O autor afirma ainda que qualquer problema experimental inclui dois aspectos:
o projeto dos experimentos e a análise estatística dos dados. Estes aspectos encontram-
se intimamente ligados, pois o método de análise depende diretamente do projeto
empregado.
O uso de experimentos estatisticamente planejados permite minimizar a
interferência do erro experimental e possibilita o ensaio de vários fatores
simultaneamente, definindo claramente a influência dos fatores isolados e a interação
destes sobre a resposta. Dessa forma é possível avaliar a existência sólida de efeitos
44
reais, direcionando corretamente o experimentador (BOX, HUNTER e HUNTER,
2005).
Barros Neto, Scarminio e Bruns (2010) destacam que a atividade estatística mais
importante não está na análise dos resultados e sim no planejamento dos experimentos,
pois um bom planejamento é capaz de fornecer exatamente o tipo de informação que se
procura. Box, Hunter e Hunter(2005), afirmam ainda que nem mesmo a análise
estatística mais sofisticada, pode salvar um experimento que tenha sido mal planejado.
Para dar um enfoque estatístico em um experimento é necessário o
conhecimento dos exatos objetivos do mesmo bem como das técnicas de coleta de
dados e análise dos resultados. Neste sentido Montgomery (2001) faz as seguintes
recomendações acerca do uso de métodos estatísticos em experimentação:
Conhecimentos não estatísticos do problema- que é imprescindível na escolha
dos fatores e de seus níveis bem como na interpretação dos resultados.
O delineamento experimental deve ser o mais simples possível de forma a se
extrair o máximo de informações úteis.
O experimentador deve ter o discernimento da diferença entre o que é
significativo na prática e o que é estatisticamente significativo.
Reconhecer que os experimentos são geralmente interativos.
2.7.5 Planejamentos fatoriais
Experimentos delineados em esquemas fatoriais são aqueles que envolvem
combinações entre os níveis de dois ou mais fatores (RODRIGUES; IEMMA, 2005).De
acordo com Montgomery (2001) é uma técnica estatística que permite quantificar os
efeitos ou influência de um ou mais fatores, além de ser a única maneira de se
determinar interações entre os mesmos.
A Figura 2.14 mostra o esquema de um número de fatores k atuando sobre um
sistema, produzindo as respostas R1, R2,..., Rj. O sistema atua como uma função
desconhecida que opera sobre as variáveis de entrada (os fatores) e produz as respostas
observadas como saída. O objetivo do planejamento fatorial é descobrir essa função e
obter uma aproximação satisfatória para ela. Com o conhecimento desta função poderão
ser escolhidas as melhores condições de operação do sistema.
45
Fonte: Barros Neto, Escarmínio, Bruns (1995).
Figura 2.14 - Sistema representando uma função ligando os fatores às respostas
Se todas as combinações possíveis, entre todos os níveis de cada fator, estão
presentes, o esquema fatorial é dito completo e estes arranjos determinam a quantidade
de ensaios necessários ao experimento. Considerando um planejamento com n níveis e k
fatores, a quantidade de experimentos a serem realizados é igual a nk (BIZI, 2007).
Segundo Box, Hunter e Hunter (2005) o caso mais simples de planejamento
fatorial é o que relaciona k fatores em apenas dois níveis para cada fator, são
denominados planejamentos fatoriais 2k. Por conveniência na hora de interpretar os
resultados de análise de um projeto fatorial em dois níveis, o valor mínimo de cada
variável de entrada corresponde a -1 e o valor máximo a +1, estes são chamados valores
codificados dos fatores.
A matriz de planejamento representada pela Tabela 2.10, ilustra o planejamento
do tipo 2k, com três fatores (x1, x2 e x3) cada um, testado com dois níveis (-1, +1), ou
seja, representa um planejamento fatorial 23. Nesta matriz as colunas x1,x2 ex3,
representam o conjunto de fatores investigados, as linhas representam as combinações
dos níveis de fatores para cada tratamento, e a coluna Y representa a resposta obtida nos
tratamentos. A matriz encontra-se na forma padronizada e ilustra o número mínimo de
ensaios necessários ao planejamento proposto, para estimação do erro experimental
devem ser adicionadas réplicas ao experimento.
46
Tabela 2.10 - Matriz de planejamento do experimento fatorial 23
Com a verificação do diâmetro médio das partículas e a massa específica absoluta,
foi possível classificar qualitativamente o material quanto ao comportamento
fluidodinâmico com auxílio do diagrama de Geldart (GELDART, 1973).
3.3 PROPRIEDADES QUALITATIVAS DOS GRÃOS
Em se tratando de qualidade de sementes alguns aspectos devem ser avaliados,
tais como os componentes físicos e fisiológicos. Os componentes físicos dizem respeito
a análise de pureza e ao peso de mil sementes, já os componentes fisiológicos podem
ser avaliados por testes de germinação e vigor das sementes.
3.3.1 Componentes físicos
A qualidade física de um lote de sementes é avaliada pela pureza física, devendo
ser verificada em uma amostra representativa do lote, pela separação dos seguintes
componentes:
- Sementes puras- sementes viáveis pertencentes à cultivar em análise;
-Outras sementes – sementes de outras cultivares ou espécies;
- Material inerte – tudo o que não é semente e está presente na amostra.
Tanto a pureza das sementes de feijão manteiguinha como o peso de mil
sementes foram estimados com base nos métodos descritos na RAS (Regras de Análise
de Sementes) (BRASIL, 2009). Para a pureza, foram pesadas cerca de 10g de sementes,
em balança analítica, em seguida, as sementes viáveis foram separadas do material
inerte e sementes de outras espécies. Após a separação cada porção foi novamente
57
pesada para o cálculo do percentual de pureza em massa, sendo realizadas 10 repetições
experimentais para a estimativa do valor médio.O peso de mil sementes foi
determinado, usando 10repetições de 100 sementes e obtendo a massa dessa porção. O
lote de sementes utilizado para estimar o peso de mil sementes é proveniente do
material viável de sementes do teste de pureza.
3.3.2 Componentes fisiológicos
Os testes de qualidade fisiológica foram realizados com as sementes in natura
ecom as provenientesdo processo de secagem, onde foram determinados o poder
germinativo e o vigor, sendo o último avaliado pelo índice de velocidade de Emergência
(IVE). Estes testes foram conduzidos no Laboratório de Análise de Sementes
pertencente à Universidade Federal Rural da Amazônia.
Os ensaios de poder germinativo, feitos em quatro repetições para cada amostra
analisada, foram conduzidos em câmara de germinação (marca biomatic) mantida em
temperatura de 30°C. Nestes testes foram utilizados papel mata borrão e água destilada
como substrato para germinação. Cada repetição foi composta de 50 sementes,
semeadas entre papel previamente umedecido em substrato na proporção de 2,5 a massa
do papel seco. Este material foi levado à câmara de germinação na forma de rolos de
papel por um período de oito dias. Neste período foram realizadas avaliações nos 5º e 8º
dias e os resultados obtidos foram expressos em percentagem de plântulas normais
germinadas, como recomendado em Brasil (2009).
Na determinação do IVE foram avaliadas quatro repetições de 50 sementes para
cada amostra, semeadas em recipientes plásticos contendo areia, sendo feitas irrigações
sempre que necessário e efetuadas contagens diárias de plântulas emergidas a partir da
semeadura até o oitavo dia. O cálculo do IVE baseou-se na Equação 3.7 proposta por
Maguire (1962), que representa o somatório do número de sementes germinadas a cada
dia, dividido pelo número de dias decorridos entre a semeadura e a germinação do dia.
A areia utilizada neste teste foi preparada segundo Brasil (2009).
IVE =Et
+Et
+ ⋯+Et
(3.7)
(*) Soma-se o teor de umidade da amostra, o teor de proteínas, o resíduo mineral fixo e o teor de lipídeos, subtrai-se o total de 100, o resultado é o percentual de carboidratos
58
Onde: IVE é o índice de velocidade de germinação;
E é o número de plântulas emergidas ocorridas a cada dia;
t é o tempo em dias.
3.4 COMPOSIÇÃO CENTESIMAL
A composição centesimal dos principais constituintes das sementes de feijão in
natura foi determinada por análises feitas na FEA/UFPA. Os teores de umidade,
proteína, resíduo mineral fixam, lipídios são baseados nas normas analíticas do Instituto
Adolfo Lutz (2008) e o teor de carboidratos estimado por diferença(*).
Conteúdo de umidade
A determinação do conteúdo de umidade foi realizada em triplicata em estufa
com circulação de ar forçada da marca Quimis, onde foram colocadas as amostras de 5
g do material a 105°C por 24 h. Os cálculos foram realizados com auxílio da Equação
2.1 e os resultados obtidos, expressos em base seca.
Proteína
Para a determinação do teor de proteína no material, foi utilizado o método
Kjedahl clássico (N x 6,25). Para condução dos testes, realizados em triplicata, foram
utilizados um sistema digestor modelo TE 10013, marca Tecnal (Brasil) e um destilador
de nitrogênio MA-036, marca Marconi (Brasil).
Resíduo mineral fixo
A análise do resíduo mineral fixo, também denominado cinzas, considerado
como a parte inorgânica que permanece após incineração de uma dada amostra, foi
realizada em triplicata. Nestes experimentos a amostra foi incinerada em mufla elétrica
(marca Químis, modelo 318.24 de controle automático) a 550°C.
(*) bs= base seca (kg de água/ kg de sólido seco)
59
Lipídeos
Baseando-se na técnica de solubilização de lipídeos em solvente apropriado, a
extração dos lipídeos do material foi realizada em triplicata em aparelho tipo Soxhlet,
utilizando uma bateria de aquecimento CT-340, marca Logen (Brasil) com éter de
petróleo como solvente. Os resultados foram expressos em percentual de lipídeos
extraídos.
3.5 COMPORTAMENTO HIGROSCÓPICO DAS SEMENTES DE FEIJÃO
MANTEIGUINHA
O comportamento higroscópico das sementes foi avaliado para obtenção dos
dados de umidade de equilíbrio (Xeq), nas temperaturas de 40, 55 e 70 ºC, que foram
utilizados nos cálculos de razão de umidade dos experimentos de secagem. Isto foi
possível após a construção de isotermas de sorção e o ajuste destas isotermas a modelos
de sorção.
3.5.1 Obtenção das isotermas de sorção
As isotermas de adsorção e dessorção de umidade do material in natura foram
obtidas nas temperaturas de 40, 55 e 70°C. Para tanto, foi utilizado o equipamento
AQUALAB que permite a medição de uma grande quantidade de dados de umidade de
equilíbrio em um pequeno intervalo de tempo. As leituras destes dados são efetuadas
após um sinal sonoro, onde os sensores do equipamento indicam que o equilíbrio de
transferência de calor e massa foi estabelecido. Esta metodologia experimental também
foi utilizada por Chen (2000), Waughon (2006), Francisco, Usberti e Toneli (2007),
Costa (2010), entre outros, para avaliar o comportamento higroscópico de produtos
biológicos.
Na execução do experimento foi necessário inicialmente determinar a massa de
sólido seco do material, em estufa com circulação de ar a 105°C por 24h.
Para a construção da isoterma de adsorção primeiramente foram pesados
10,05g de semente em frascos de polietileno apropriados ao equipamento, e colocadas
em estufa da marca Quimis, a 70°C, por 24h, para remoção da umidade da amostra, de
(*) bs= base seca (kg de água/ kg de sólido seco)
60
modo a alcançar valores de atividade de água em torno de 0,20. Em seguida foi
preparado um dessecador contendo água em lugar de sílica gel que primeiramente foi
colocado em estufa incubadora (marca Quimis e faixa de trabalho de 0 a 50°C), para a
condução dos experimentos em temperatura de 40°C. Nas temperaturas de 55 e 70°C o
dessecador foi colocado em uma estufa de esterilização e secagem (marca Odonto
Bras).
Após o período de 24 h em estufa as amostras foram postas no dessecador e o
conjunto levado novamente às estufas estabilizadas nas temperaturas de trabalho para
alcançar o equilíbrio térmico. Para cada temperatura utilizou-se 20 amostras. Após o
período de estabilização iniciou-se as leituras de atividade de água no equipamento
(AQUALAB) que variaram de 0,20 a 0,90. As leituras foram realizadas utilizando uma
amostra por vez e em seguida pesadas em balança analítica. Após a coleta destes dados
foram construídas as isotermas de adsorção nas temperaturas de 40, 55 e 70°C.
Para a construção das isotermas de dessorção foi realizado o processo inverso,
utilizando as mesmas amostras da adsorção, quando estas alcançaram os valores de aw
próximos de 0,90. Nesta etapa os frascos com amostras foram transferidos para um
dessecador, contendo sílica gel, que fora acondicionado em estufa, seguindo, novamente
para leitura no equipamento e obtenção de suas respectivas massas. As leituras de
atividade de água sucederam-se até valores 0,20. O processo completo (adsorção e
dessorção) foi conduzido em um tempo médio de 72 h.
3.5.2 Ajuste dos dados experimentais aos modelos de isotermas de sorção
Os dados experimentais das isotermas de sorção nas temperaturas de 40, 55 e
70°C foram ajustados aos modelos de Chung-Pfost modificado, Halsey modificado,
Oswin modificado, Henderson modificado e GAB sumarizados na Tabela 3.2. As
constantes características de cada modelo foram determinadas através da técnica de
regressão não-linear utilizando-se o aplicativo Statistica 7.0 através do método Quasi-
Newton.
(*) bs= base seca (kg de água/ kg de sólido seco)
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Tabela 3.2–Modelos de Isotermas de Sorção Modelo Equação